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1、实验 5 常用工程材料的显微组织观察1.实验目的 （1）观察几种常用合金钢、有色金属、铸铁和金属陶瓷（硬质合金）及纤维增强树脂的显微组织。（2）分析这些材料的组织和性能的关系及其应用。2.实验内容样品序号材料名称处理工艺浸蚀1 W18Cr4V 1280油淬 560三次回火4%硝酸酒精（体积分数）2 1Cr18Ni9 固溶处理王水溶液3 灰铸铁铸造4%硝酸酒精（体积分数）4 球墨铸铁铸造4%硝酸酒精（体积分数）5 可锻铸铁铸造 +可锻化退火4%硝酸酒精（体积分数）6 Al-Si 合金铸造（未变质处理）0.5%HF水溶液（体积分数）7 Al-Si 合金铸造（变质处理）0.5%HF水溶液（体积分数）
2、8 黄铜退火3%FeCl3+10%HCl的水溶液9 +黄铜退火3%FeCl3+10%HCl的水溶液10 轴承合金铸态4%硝酸酒精（体积分数）11 YG3 粉末冶金烧结三氯化铁盐酸溶液腐蚀1min ， 水洗后于 20%氢氧化钾 +20%铁氰化钾水溶液中腐蚀3min（质量分数）12 玻璃纤维增强树脂复合材料纤维编织后树脂固化(1) W18Cr4V 是一种高速钢。室温平衡组织由珠光体、碳化物和莱氏体组成。莱氏体沿晶界呈宽网状分布，莱氏体中的碳化物粗大，呈骨架状，不能靠热处理消除，必须进行锻造打碎。锻造退火后的显微组织由索氏体和碳化物组成。高速钢具有优良的耐热性和高的耐磨性。淬火温度较高，使奥氏体充分
3、合金化，保证最终有高的热硬性。(2) 1Cr18Ni9 是不锈钢。在大气、海水及其他浸蚀性介质条件下能稳定工作，属于高合金钢。室温平衡组织为奥氏体+铁素体 +(Cr,Fe)23C6。(3) 灰铸铁中的石墨呈粗大片状，灰铸铁的基体有珠光体、铁素体和珠光体+铁素体三种。铁素体基体的铸铁韧性最好，珠光体基体的铸铁抗拉强度最高。(4) 球墨铸铁的组织主要有铁素体基体和珠光体基体两种。浇铸后石墨呈球形析出，大大削弱了对基体的割裂作用，使球墨铸铁的性能显著提高。(5) 可锻铸铁由白口铸铁经石墨化退火处理得到。其中的石墨呈团絮状，也显著的削弱了对基体的割裂作用，使得可锻铸铁的机械性能比灰铸铁有明显的提高。(
4、6) 未经变质处理的铝硅合金铸造后得到的组织是粗大的硅晶体和固溶体所组成的共晶体。粗大的 硅晶体很脆，严重的降低了合金的塑性和韧性。(7) 变质处理后的铝硅合金中添加的Na 能促进 Si 的生核，并能吸附在Si表面阻止Si继续长大，使合金组织大大细化。变质处理后的组织为细小均匀的共晶体+初生 固溶体 +二次析出的Si。共晶体中的 Si细小，使合金的强度和塑性显著改善。(8) 单相黄铜中的组织为单相固溶体，其晶粒呈多边形，并伴有大量退火孪晶。单相黄铜具有良好的塑性，可以进行各种冷变形。(9) 双相黄铜由 相和 相组成。 相呈亮白色， 相呈黑色， 是以 CuZn电子化合物为基的有序固溶 体，在低温
5、下较脆、硬，但在高温下有良好的塑性，所以双相黄铜可以进行热压力加工。(10) 轴承合金是一种软基体硬质点类型的轴承合金。显微组织为+Cu6Sn5。软基体硬质点混合组织能保证轴承合金具有必要的强度、塑性和韧性，以及良好的耐磨性。(11) Y G3 显微组织由WC+Co相组成。硬质合金熔点高，硬度高，具有良好的耐磨性和热硬性，可用作道具、耐磨零件或磨具。硬质合金属于颗粒复合材料。(12) 纤维增强树脂是一种纤维复合材料。韧性好的树脂作为基体，可阻碍材料中裂纹的扩展。纤维的 抗拉强度高，主要承受外加载荷的作用。玻璃纤维增强树脂的显微组织为玻璃纤维+树脂。3.思考题(1)合金钢与碳钢比较组织上有什么不
6、同，性能上有什么差别，使用上有什么优越性？答：合金钢是在碳钢合金中特意加入一些合金元素所获得的钢。按合金元素质量分数不同可分为低合金钢 (合金元素低于5)、中合金钢 (合金元素5 1 O)、高合金钢 (合金元素大于10)，还有其他的分类方法。对于低合金钢由于加入合金元素较少，铁碳相图虽发生了一些变动，但其平衡状态的显微组织与碳钢的显微组织并没有太大区别，低合金钢热处理后的显微组织与碳钢的显微组织也没有根本的不同。但因加入了合金元素使C 曲线右移 (Co 除外 )，所以在相同的冷却速度下，会出现不同的金相组织，合金钢更容易获得马氏体。合金钢与碳钢比较，在淬透性、 力学性能、 回火稳定性等方面得到
7、改善，还可提高钢的抗氧化性、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损等方面的性能。由于合金钢的强度提高了，在使用时可降低材料的使用量，减轻重量，降低成本。不同的合金钢可以应用于高温、腐蚀、磨损等场合使用。(2)为什么大型发电机组中汽轮机转子和小板牙都必须采用合金钢制造? 答：大型发电机组中的汽轮机转子工作环境恶劣，要承受扭转应力、弯曲应力、热应力，还要承受振动产生的附加应力和冲击载荷等，而且在高温工作，还要考虑材料的抗蠕变性能、抗腐蚀性能，等等。因此对转子材料要具有良好的综合机械性能、强度高，韧性好。在钢中加入一些合金元素可以提高材料的性能，满足产品要求。如加入Cr、Mo 、V元素，可以提高钢的淬透性增加钢
8、的强度， 还可以提高钢的热强性，耐高温、 抗腐蚀。 所以都要选用合金钢制造才能符合使用要求。小板牙是低速切削、形状复杂的刃具，要求高硬度、高耐磨性，还要求一定强韧性。在钢中加入Cr、W、Mn 等元素，使钢的淬透性和耐磨性大大提高，耐热性和韧性也有所改善。而且加入了合 金元素后，淬透性增加，油冷时就可得到马氏体，有利于减小变形，保证尺寸。所以选用合金钢制造才能符合使用要求。(3)高速钢 (W18Cr4V)的热处理工艺是如何进行的?有何特点 ? 答： W18Cr4V 高速钢的优良的热硬性和高的耐磨性只有经淬火及回火后才能获得。由于高速钢中的碳化物类型多、结构复杂，淬火温度对碳化物的溶解有很多影响，
9、较低时，有的碳化物不能溶解，影响硬度和红硬性。较高时M6C型碳化物转变成稳定的MC 型碳化物，沿奥氏体晶界扩展成网状，造成对高速钢性能的破坏，而且还会影响晶粒度及残余奥氏体的含量，影响强度和韧性。为了获得良好的力学性能和高的红硬性，需选择合理的淬火温度，W18Cr4V 高速钢的淬火温度一般选择在12701280。淬火后的组织为马氏体+碳化物 +较大量的残余奥氏体，残留奥氏体约有30。所以还要进行回火处理，使残余奥氏体转变为回火马氏体。在550570回火时，钢的硬 度、强度、塑性均有提高，析出特殊碳化物，产生二次硬化，达到硬度和强度的最大值。回火温度一般为560，因残余奥氏体量很多，一次回火处理
10、不能消除大量的残余奥氏体，回火不足，影响高速钢的硬度和耐磨性能，所以一般需经三次回火处理。高速钢经三次回火处理后的组织为回火马氏体 +碳化物 +少量残余奥氏体(2 3)。这样可以得到理想的热硬性、高的耐磨性和强韧性。(4)铸造 Al-Si 合金的成分是如何考虑的?为何要进行变质处理，变质处理与未变质处理的Al-Si 合金组织与性能有何变化? 答： 从 Al-Si合金的相图可知， Si的质量分数为11.7为共晶点的成分， 在共晶点附近的合金成分，具有优良的铸造性能，流动性好，产生铸造裂纹的倾向性小，所以简单的铸造Al-Si合金的 Si的质量分数一般应为接近共晶点成分，典型的铸造Al-Si合金牌号为ZLl02， Si的质量分数为11%13%。Al-Si 合金铸造后得到的组织是粗大的针状硅晶体和固溶体的共晶组织，粗大的硅晶体极脆，严重地降低了合金的塑性和韧性。为改善合金的性能需采用变质处理，即在浇注前在合金液体中加入变质剂 (常用钠盐混合物)，以细化合金组织，提高合金的强度和塑性，由于钠能促进Si的生核，并能吸附在Si的表面阻碍它长大，使合金组织细化，同时使共晶点右移，原合金成分变为亚共晶成分，所以变质后的组织为初生固溶体 +细密的共晶体 (+Si)组成。共晶体中的Si细小，使合金的强度与塑性显著提高。
